渦軸發(fā)動機試車臺大偏轉(zhuǎn)角試驗研究

劉明春 付征宇 張浙波

【摘 要】 本文對某型渦軸發(fā)動機在試車臺進行大偏轉(zhuǎn)角（功率吸收裝置傳動軸與發(fā)動機輸出軸的角度偏差不小于0.5°）試驗時可能出現(xiàn)的振動及花鍵磨損等情況進行分析研究，分別從輸出軸選擇、臺架設(shè)計和偏移方案等方面對車臺進行改進，降低風(fēng)險，并進行了試驗驗證，該試驗的成功為今后的科研積累了數(shù)據(jù)，奠定了基礎(chǔ)。

【關(guān)鍵詞】 渦軸發(fā)動機 大偏轉(zhuǎn)角 試驗

在某型發(fā)動機型號規(guī)范中，對于持久試車有一項要求為：“功率吸收裝置傳動軸與發(fā)動機輸出軸的角度偏差不小于0.5°”，該項要求主要是為了考核發(fā)動機在極端情況下的工作情況，以降低發(fā)動機在飛機上的裝機條件。通常，發(fā)動機在試車臺進行常規(guī)試驗前，需要通過激光調(diào)心儀調(diào)整同軸度，使功率吸收裝置傳動軸與發(fā)動機輸出軸盡量處在一條直線上，兩者之間的偏轉(zhuǎn)角度越小越好（在0.03°以內(nèi)）。當(dāng)發(fā)動機在高轉(zhuǎn)速工作時，功率吸收裝置傳動軸與發(fā)動機輸出軸之間的角度偏差（偏轉(zhuǎn)角）過大，容易造成發(fā)動機與功率吸收裝置的振動變大，從而損壞發(fā)動機及測功器。故該試驗具有一定的風(fēng)險。

在常規(guī)試車臺進行的某次大偏轉(zhuǎn)角試驗，試驗過程中，發(fā)現(xiàn)振動突然變大。停車后檢查，發(fā)現(xiàn)發(fā)動機鼠籠彈支出現(xiàn)裂紋，車臺連接軸花鍵出現(xiàn)凹坑。后經(jīng)討論，認為該現(xiàn)象的發(fā)生是由于連接軸的設(shè)計缺陷以及臺架的剛性不足造成的，為保證試驗?zāi)茉谠囓嚺_成功進行，需要對偏移方案進行合理的分析，并設(shè)計專用的車臺傳動軸和臺架來實現(xiàn)0.5°的角度偏差。本文將分別從輸出軸選擇、臺架設(shè)計和偏移方案等方面進行理論計算，降低試車臺進行該項試驗時的風(fēng)險，并最終通過試驗對比發(fā)動機的振動來研究在試車臺進行0.5°偏轉(zhuǎn)角試驗的可行性。

1 大偏轉(zhuǎn)角試驗的分析研究

1.1 輸出軸的選擇及影響分析

1.1.1 輸出軸的選擇

通常，發(fā)動機與車臺的連接軸為剛性軸，該類型的連接軸，結(jié)構(gòu)簡單，加工成本較低，試驗前會通過調(diào)心將偏轉(zhuǎn)角和軸端徑向偏移量盡可能減小，但如果進行0.25°偏轉(zhuǎn)角試驗，剛性軸為直齒連接時，由于缺乏角向補償量，花鍵周向受載不均勻，高速運轉(zhuǎn)時，花鍵嚙合處極易產(chǎn)生磨損而發(fā)生損壞，喪失傳扭能力。為適應(yīng)大偏轉(zhuǎn)角試驗需求，對發(fā)動機輸出軸與車臺的連接方式進行改進，發(fā)動機與測功器之間采用疊片連接軸組件柔性連接，疊片軸與發(fā)動機端使用鼓形齒花鍵配合，疊片軸與測功器端為法蘭配合，疊片靠近測功器端，如圖1所示。其設(shè)計參數(shù)為：轉(zhuǎn)速15000r/min，扭矩1500N？m，軸向補償±2mm，角向補償1.0°。鼓形花鍵材料為38CrMoAlA鍛件（GJB1951-1994），齒面氮化深度≥0.3mm。

參考發(fā)動機真實連接方式，車臺連接軸采用的疊片軸形式與主減傳動軸一致。與主減傳動軸花鍵相比，車臺傳動軸花鍵的齒厚略小，齒形公差偏大，齒側(cè)鼓形度基本一致，齒頂鼓形度偏大，車臺傳動軸的齒側(cè)間隙、角度補償更大，可滿足發(fā)動機機偏0.5°的安裝要求。

1.1.2 車臺連接軸偏擺對花鍵配合影響分析

車臺連接軸偏擺時，車臺連接軸花鍵與輸出軸花鍵槽齒側(cè)和齒頂間隙將發(fā)生變化。為滿足間隙補償要求，防止對輸出軸帶來附加應(yīng)力，車臺連接軸花鍵采用齒頂鼓形、齒向（側(cè)）修形設(shè)計。連接軸的安裝及花鍵鼓形設(shè)計見圖2。

1.2 臺架的設(shè)計

試車臺進行常規(guī)試驗時，在連接軸的安裝前，會通過調(diào)心儀對功率吸收裝置傳動軸與發(fā)動機輸出軸的同軸度進行調(diào)整，相對而言，發(fā)動機高轉(zhuǎn)速工作時，并不會引起連接軸兩端太大的偏移量，所以在臺架設(shè)計時，前安裝座常采用一端固定，一端自由的方式，其模型見圖3。

該類型結(jié)構(gòu)形式，因自由度較多，能夠極大簡化發(fā)動機上臺所需操作。但當(dāng)使用該型臺架進行試驗時，試驗前后發(fā)動機和測功器之間的偏角會有較大的變化。因此運用于大偏轉(zhuǎn)角試驗時，因其自由端偏移量的不確定性，發(fā)動機運行過程中偏轉(zhuǎn)角不能確保在0.25°以內(nèi)，有較大可能會加大偏轉(zhuǎn)角，長時間工作會引起軸頭花鍵結(jié)合面損壞，極大的減少連接軸的使用壽命，嚴重時，可能會發(fā)生軸頭齒輪破損、發(fā)動機損壞等情況。在齒面處有明顯的凹坑，而且整圈分布并不均勻，出現(xiàn)一側(cè)深，一側(cè)淺的情況。該情況是由于發(fā)動機運行時，連接軸花鍵受力不均勻?qū)е隆?/p>

因此相比常規(guī)車臺臺架的設(shè)計，大偏轉(zhuǎn)角試驗需要更加穩(wěn)定的前支撐，減少自由結(jié)構(gòu)，以防發(fā)動機在試驗過程中發(fā)生較大的偏轉(zhuǎn)角突變。

在當(dāng)前車臺基礎(chǔ)上進行改進設(shè)計，將發(fā)動機臺架前支撐點的安裝方式改用插銷式定位，通過兩個特制定位銷固定安裝座，使發(fā)動機在試驗過程中僅能通過自由安裝節(jié)在軸承上的滑動進行少量水平方向移動，并有效地防止發(fā)動機在徑向及垂直方向的竄動。其結(jié)構(gòu)形式如圖4所示。發(fā)動機后支撐方式為夾角式，當(dāng)發(fā)動機受熱膨脹時，夾角變大，與發(fā)動機固定端下移，有效地減小了發(fā)動機尾端中心位置在垂直方向上的位移，夾角下方安裝有滑動軸承，使發(fā)動機受熱膨脹時能在軸向自由伸縮。

1.3 偏移方案

發(fā)動機輸出軸與測功器的中心偏移角度通過調(diào)心儀（FIXTURLASER XA）來調(diào)節(jié)，調(diào)心儀的調(diào)心原理見圖5。角向偏移Y是指換算到直徑100mm的圓時，由夾角α產(chǎn)生的徑長，即Y=100*tgα，徑向偏移X是指由夾角α以及鼓形齒中點到調(diào)心儀位置距離L所形成的徑長，因每次調(diào)心儀安裝位置不同，L值不同。該次試驗0.5°偏角控制在水平方向，垂直方向盡可能保證在同一直線上。因此當(dāng)α=0.5°時，角向偏移Y=100*tg（0.5°）=0.44mm，徑向偏移X=L*tg（0.5°）。調(diào)節(jié)好偏移量后，重新調(diào)心。

兩次調(diào)心數(shù)據(jù)見表1、表2。數(shù)據(jù)偏差較小，確保功率吸收裝置傳動軸與發(fā)動機輸出軸的角度偏差角度滿足0.5°。下表中的表示偏角的方向，為減小發(fā)動機運行過程中的風(fēng)險，連接軸選擇在固定安裝節(jié)方向進行偏轉(zhuǎn)。這種方式下安裝，試驗過程中，若發(fā)動機前端出現(xiàn)膨脹，使發(fā)動機前端兩側(cè)安裝節(jié)距離加大時，偏角會往自由安裝節(jié)方向縮小，降低試驗風(fēng)險。

2 試驗驗證

該試驗分為兩次，分別在在小偏轉(zhuǎn)角（0.03°）、大偏轉(zhuǎn)角（0.58°）的情況下進行以下試驗：

起動發(fā)動機后，分別地慢、空慢、50%最大連續(xù)，75%最大連續(xù)、最大連續(xù)、最大起飛等狀態(tài)點各停留3分鐘，采集并記錄發(fā)動機各位置及測功器振動情況。

試驗過程中，密切關(guān)注發(fā)動機運行狀態(tài)，記錄各狀態(tài)下，發(fā)動機不同位置的振動值。每隔一段時間，停車，目視查看連接軸花鍵磨損情況。

3試驗結(jié)果及分析

使用同一臺發(fā)動機在同一車臺分別進行無偏轉(zhuǎn)角試驗及大偏轉(zhuǎn)角試驗，對發(fā)動機各點的振動進行采集，相同狀態(tài)（同轉(zhuǎn)速、同溫度、同功率）的振動情況無明顯異常，整個試驗過程中未出現(xiàn)振動明顯加大等情況。

在確定發(fā)動機能夠穩(wěn)定運行的同時，定期觀察連接軸的磨損情況，齒面有光滑痕跡，該痕跡為齒輪嚙合運轉(zhuǎn)后的正常現(xiàn)象，無凹凸跡象，對連接軸花鍵使用并無較大影響。對輸出軸進行無損檢查，檢查結(jié)果為合格，無裂紋。因此可認為該試驗成功完成。

4 小結(jié)

通過大偏轉(zhuǎn)角試驗的研究分析，對車臺軸和臺架進行改進設(shè)計，確保試車臺能夠?qū)崿F(xiàn)0.5°偏轉(zhuǎn)角，并通過試驗驗證，發(fā)動機的穩(wěn)定運行以及連接軸的磨損檢測合格，考核了發(fā)動機在0.5°偏轉(zhuǎn)角下運行的穩(wěn)定性，同時驗證了該次試車臺改進方案的可行性。這不僅滿足了該型發(fā)動機的研制需求，也為同類型渦軸發(fā)動機試驗積累了重要數(shù)據(jù)。

【參考文獻】

[1] 王勛.某型發(fā)動機輸出軸鼠籠斷裂故障歸零報告[R]，2016.

[2] 某型發(fā)動機型號規(guī)范.XX-GF-0001.

[3] 付征宇.某型發(fā)動機性能試車臺工程設(shè)計說明書[R].XX-W-17，2015.